Як відбувається синтез білка у клітині коротко. Біосинтез білка: коротко і зрозуміло
Роль білків у клітині та організмі
Роль білка у житті клітини та основні етапи його синтезу. Будова та функції рибосом. Роль рибосом у процесі синтезу білка.
Білки грають винятково велику роль у процесах життєдіяльності клітини та організму, їм властиві такі функції.
Структурна.Входять до складу внутрішньоклітинних структур тканин і органів. Наприклад, колаген і еластин служать компонентами сполучної тканини: кісток, сухожиль, хрящів; фіброїн входить до складу шовку, павутиння; кератин входить до складу епідермісу та його похідних (волосся, роги, пір'я). Утворюють оболонки (капсиди) вірусів.
Ферментативна.Всі хімічні реакції в клітині протікають за участю біологічних каталізаторів - ферментів (оксидоредуктази, гідролази, лігази, трансферази, ізомерази та ліази).
Регуляторна.Наприклад, гормони інсулін та глюкагон регулюють обмін глюкози. Білки-гістони беруть участь у просторовій організації хроматину, і цим впливають на експресію генів.
Транспортні.Гемоглобін переносить кисень у крові хребетних, гемоціанін у гемолімфі деяких безхребетних, міоглобін – у м'язах. Сироватковий альбумін служить для транспортування жирних кислот, ліпідів і т. п. Мембранні транспортні білки забезпечують активний транспорт речовин через клітинні мембрани (Na+, К+-АТФаза). Цитохроми здійснюють перенесення електронів по електронтранспортним ланцюгам мітохондрій та хлоропластів.
Захисна.Наприклад, антитіла (імуноглобуліни) утворюють комплекси з антигенами бактерій та з сторонніми білками. Інтерферони блокують синтез вірусного білка в інфікованій клітині. Фібриноген та тромбін беруть участь у процесах згортання крові.
Скоротлива (рухова).Білки актин та міозин забезпечують процеси м'язового скорочення та скорочення елементів цитоскелету.
Сигнальна (рецепторна).Білки клітинних мембран входять до складу рецепторів та поверхневих антигенів.
Запасні білки. Казеїн молока, альбумін курячого яйця, феритин (запасає залізо в селезінці).
Білки-токсини. Дифтерійний токсин.
Енергетична функція.При розпаді 1 г білка до кінцевих продуктів обміну (СО2, Н2О, NH3, Н2S, SО2) виділяється 17,6 кДж або 4,2 ккал енергії.
Біосинтез білків йде у кожній живій клітині. Найбільш активний він у молодих клітинах, що ростуть, де синтезуються білки на побудову їх органоїдів, а також в секреторних клітинах, де синтезуються білки-ферменти і білки-гормони.
Основна рольу визначенні структури білків належить ДНК. Відрізок ДНК, що містить інформацію про структуру одного білка, називають геном. Молекула ДНК містить кілька сотень генів. У молекулі ДНК записаний код про послідовність амінокислот у білку у вигляді нуклеотидів, що безумовно поєднуються.
Синтез білка -складний багатоступінчастий процес, що є ланцюгом синтетичних реакцій, що протікають за принципом матричного синтезу.
У біосинтезі білка визначають такі етапи, що йдуть у різних частинах клітини:
Перший етап -синтез і-РНК відбувається у ядрі, у процесі якого інформація, що міститься в гені ДНК, переписується на і-РНК. Цей процес називається транскрипцією (від латів. «Транскриптик» - переписування).
На другому етапівідбувається з'єднання амінокислот з молекулами т-РНК, які послідовно складаються з трьох нуклеотидів - антикодонів, за допомогою яких визначається свій триплет-кодон.
Третій етап -це процес безпосереднього синтезу поліпептидних зв'язків, що називається трансляцією. Він відбувається у рибосомах.
На четвертому етапівідбувається утворення вторинної та третинної структури білка, тобто формування остаточної структури білка.
Таким чином, у процесі біосинтезу білка утворюються нові молекули білка відповідно до точної інформації, закладеної в ДНК. Цей процес забезпечує оновлення білків, процеси обміну речовин, зростання та розвиток клітин, тобто всі процеси життєдіяльності клітини.
Для вивчення процесів, які відбуваються в організмі, потрібно знати, що відбувається на клітинному рівні. А там найважливішу роль відіграють білкові сполуки. Необхідно вивчити як їх функції, а й процес створення. Тому важливо пояснити коротко та зрозуміло. 9 клас для цього підходить найкращим чином. Саме цьому етапі учні володіють достатньою кількістю знань розуміння цієї теми.
Білки - що це таке і для чого вони потрібні
Ці високомолекулярні сполуки грають величезну роль життя будь-якого організму. Білки є полімерами, тобто складаються з багатьох схожих «шматочків». Їх кількість може змінюватись від кількох сотень до тисяч.
У клітині білки виконують багато функцій. Велика їх роль і більш високих рівнях організації: тканини і органи багато в чому залежить від правильної роботи різних білків.
Наприклад, усі гормони мають білкове походження. Адже саме ці речовини контролюють усі процеси в організмі.
Гемоглобін – теж білок, він складається з чотирьох ланцюгів, які у центрі з'єднані атомом заліза. Така структура забезпечує можливість переносити кисень еритроцитами.
Нагадаємо, що всі мембрани мають у своєму складі білки. Вони необхідні переносу речовин крізь оболонку клітин.
Існує ще безліч функцій білкових молекул, які вони виконують чітко та беззаперечно. Ці дивовижні з'єднання дуже різноманітні не лише за своїми ролями в клітці, а й за будовою.
Де відбувається синтез
Рибосома є органелою, в якій проходить основна частина процесу, що називається "біосинтез білка". 9 клас у різних школах відрізняється за програмою вивчення біології, але багато вчителів дають матеріал за органелами заздалегідь, до вивчення трансляції.
Тому учням неважко згадати пройдений матеріал та закріпити його. Слід знати, що на одній органелі одночасно може створюватися лише один поліпептидний ланцюг. Цього мало, щоб задовольнити усі потреби клітини. Тому рибосом дуже багато, і найчастіше вони поєднуються з ендоплазматичною мережею.
Така ЕПС називається шорсткою. Вигода такої «співпраці» очевидна: білок одразу після синтезу потрапляє у транспортний канал і може без затримок вирушати до місця призначення.
Але якщо брати до уваги початок, а саме зчитування інформації з ДНК, то можна сказати, що біосинтез білка в живій клітині починається ще в ядрі. Саме там синтезується яка містить генетичний код.
Необхідні матеріали – амінокислоти, місце синтезу – рибосома
Здається, що важко пояснити, як протікає біосинтез білка, коротко і зрозуміло, схема процесу та численні малюнки просто потрібні. Вони допоможуть донести всю інформацію, а також учням легше її запам'ятати.
Насамперед, для синтезу необхідний «будівельний матеріал» - амінокислоти. Деякі їх виробляються організмом. Інші можна отримати тільки з їжею, вони називаються незамінними.
Загальна кількість амінокислот - двадцять, але за рахунок величезної кількості варіантів, в яких можна їх розташовувати в довгому ланцюжку, молекули білків дуже різноманітні. Ці кислоти схожі між собою структурою, але відрізняються радикалами.
Саме властивості цих частин кожної амінокислоти визначають, в яку структуру «згорнеться» ланцюжок, що вийшов, чи буде вона утворювати четвертинну структуру з іншими ланцюгами, і які властивості буде мати макромолекула, що вийшла.
Процес біосинтезу білка не може протікати просто в цитоплазмі, йому потрібна рибосома. складається з двох субодиниць - великої та малої. У стані спокою вони роз'єднані, але тільки-но починається синтез, вони відразу з'єднуються і починають працювати.
Такі різні та важливі рибонуклеїнові кислоти
Для того, щоб принести амінокислоту до рибосоми, потрібна спеціальна РНК, яка називається транспортною. Для скорочення її позначають т-РНК. Ця одноланцюжкова молекула у вигляді конюшинного листа здатна причепити одну амінокислоту до свого вільного кінця і переправити її до місця синтезу білка.
Ще одна РНК, що бере участь у синтезі білка, називається матричною (інформаційною). Вона несе в собі не менш важливий компонент синтезу - код, в якому чітко прописано, коли яку амінокислоту чіпляти до ланцюжка білка, що утворюється.
Ця молекула має одноланцюгову будову, складається з нуклеотидів, так само як і ДНК. Існують деякі відмінності в первинній структурі цих нуклеїнових кислот, про які ви можете прочитати у порівняльній статті про РНК та ДНК.
Інформація про склад білка м-РНК отримує від головного зберігача генетичного коду - ДНК. Процес читання та синтезу м-РНК називається транскрипцією.
Він відбувається в ядрі, звідки м-РНК, що вийшла, відправляється до рибосоми. Сама ж ДНК із ядра не виходить, її завдання – лише зберегти генетичний код та передати його дочірній клітині під час поділу.
Зведена таблиця головних учасників трансляції
Щоб описати біосинтез білка коротко і зрозуміло, таблиця просто необхідна. До неї ми запишемо всі компоненти та їх роль у цьому процесі, який називається трансляцією.
Сам процес створення білкового ланцюжка ділиться на три етапи. Давайте розглянемо кожен із них докладніше. Після цього ви зможете легко пояснити всім охочим біосинтез білка коротко та зрозуміло.
Ініціація – початок процесу
Це початкова стадія трансляції, в якій мала субодиниця рибосоми з'єднується з першою т-РНК. Ця рибонуклеїнова кислота несе у собі амінокислоту - метионин. Трансляція завжди починається саме з цієї амінокислоти, оскільки стартовим кодоном є АУГ, який кодує цей перший мономер в білковому ланцюгу.
Для того щоб рибосома дізналася стартовий кодон і не почала синтез із середини гена, де послідовність АУГ також може виявитися, навколо початкового кодону розташовується спеціальна послідовність нуклеотидів. Саме по них рибосома дізнається те місце, на яке має сісти її мала субодиниця.
Після утворення комплексу з м-РНК стадія ініціації закінчується. І розпочинається основний етап трансляції.
Елонгація – середина синтезу
На цьому етапі відбувається поступове нарощування білкового ланцюжка. Тривалість елонгації залежить від кількості амінокислот у білку.
Насамперед до малої субодиниці рибосоми приєднується велика. І початкова т-РНК виявляється у ній цілком. Зовні залишається лише метіонін. Далі у велику субодиницю входить друга т-РНК, яка несе іншу амінокислоту.
Якщо другий кодон на м-РНК збігається з антикодоном на верхівці конюшинного листа, друга амінокислота приєднується до першої за допомогою пептидного зв'язку.
Після цього рибосома пересувається м-РНК рівно на три нуклеотиди (один кодон), перша т-РНК від'єднує від себе метіонін і відокремлюється від комплексу. На її місці виявляється друга т-РНК, на кінці якої висить вже дві амінокислоти.
Потім велику субодиницю входить третя т-РНК і повторюється. Він відбуватиметься доти, доки рибосома не натрапить на кодон у м-РНК, який сигналізує про закінчення трансляції.
Термінація
Цей етап є останнім, деяким може здатися дуже жорстоким. Всі молекули та органели, які так злагоджено працювали над створенням поліпептидного ланцюжка, зупиняються, як рибосома наїжджає на термінальний кодон.
Він не кодує жодну амінокислоту, тому яка б т-РНК не зайшла у велику субодиницю, всі вони будуть відкинуті через невідповідність. Тут у справу вступають чинники термінації, які відокремлюють готовий білок від рибосоми.
Сама органела може або розпастися на дві субодиниці, або продовжити свій шлях м-РНК у пошуках нового стартового кодону. На одній м-РНК можуть бути відразу кілька рибосом. Щойно створений білок постачається маркерами, за допомогою яких усім буде зрозуміло його місце призначення. І по ЕПС він буде відправлений туди, де необхідний.
Щоб зрозуміти роль біосинтезу білка, необхідно вивчити, які функції може виконувати. Це залежить від послідовності амінокислот у ланцюжку. Саме їх властивості визначають вторинну, третинну, котрий іноді четвертинну (якщо вона існує) та її роль клітині. Докладніше про функції білкових молекул можна прочитати у статті з цієї теми.
Як дізнатися більше про трансляцію
У цій статті описано біосинтез білка у живій клітині. Звичайно, якщо вивчати предмет глибше, на пояснення процесу у всіх подробицях піде чимало сторінок. Але вищевикладеного матеріалу має вистачити для загального уявлення. Дуже корисним для розуміння можуть бути відеоматеріали, в яких вчені змоделювали всі етапи трансляції. Деякі з них перекладені російською мовою і можуть стати чудовим посібником для учнів або просто пізнавальним відео.
Щоб розбиратися в темі краще, слід прочитати й інші статті на близькі теми. Наприклад, про або про функції білків.
Процес білкового біосинтезу є надзвичайно важливим для клітини. Оскільки білки є складними речовинами, які відіграють основну роль тканинах, вони незамінні. З цієї причини в клітині реалізований цілий ланцюг процесів білкового біосинтезу, який протікає в кількох органелах. Це гарантує клітині відтворення та можливість існування.
Сутність процесу біосинтезу білка
Єдине місце синтезу білків - це шорстка Тут розташовується основна маса рибосом, які відповідальні за утворення поліпептидного ланцюжка. Однак перш ніж почнеться етап трансляції (процес синтезу білка), потрібна активація гена, в якому зберігається інформація про білкову структуру. Після цього потрібно копіювання цієї ділянки ДНК (або РНК, якщо розглядається бактеріальний біосинтез).
Після копіювання ДНК потрібний процес створення інформаційної РНК. На її підставі виконуватиметься синтез білкового ланцюжка. Причому всі етапи, які протікають із залученням нуклеїнових кислот, повинні відбуватися в проте це не місце, де відбувається синтез білка. де здійснюється підготовка до біосинтезу.
Рибосомальний біосинтез білка
Основне місце, де відбувається синтез білка, - клітинна органела, що складається з двох субодиниць. Таких структур у клітині величезна кількість, і вони переважно розташовані на мембранах шорсткої ендоплазматичної мережі. Сам біосинтез відбувається так: утворена в ядрі клітини інформаційна РНК виходить крізь нуклеарні пори до цитоплазми і зустрічається з рибосомою. Потім іРНК проштовхується у проміжок між субодиницями рибосоми, після чого відбувається фіксація першої амінокислоти.
До місця, де відбувається синтез білка, подаються амінокислоти за допомогою Одна така молекула може одноразово приносити по одній амінокислоті. Вони приєднуються по черзі залежно від послідовності кодонів інформаційної РНК. Також синтез може припинятися деякий час.
При просуванні іРНК рибосома може потрапляти на ділянки (інтрони), які не кодують амінокислоти. У цих місцях рибосома просто просувається іРНК, але приєднання амінокислот до ланцюжка не відбувається. Як тільки рибосома досягає екзону, тобто ділянки, яка кодує кислоту, тоді вона знову приєднується до поліпептиду.
Постсинтетична модифікація білків
Після досягнення рибосомою стоп-кодону інформаційної РНК процес безпосереднього синтезу завершується. Однак отримана молекула має первинну структуру і поки що не може виконувати зарезервованих для неї функцій. Щоб повноцінно функціонувати, молекула повинна організуватися у певну структуру: вторинну, третинну чи ще складнішу - четвертинну.
Структурна організація білка
Вторинна структура – перша стадія структурної організації. Для її досягнення первинний поліпептидний ланцюжок повинен спіралізуватися (утворити альфа-спіралі) або загинатися (створити бета-шари). Потім, щоб займати ще менше місця по довжині, молекула ще більше стягується і змотується в клубок за рахунок водневих, ковалентних та іонних зв'язків, а також міжатомних взаємодій. Таким чином, виходить глобулярна
Четвертична білкова структура
Четвертична структура найскладніша з усіх. Вона складається з кількох ділянок з глобулярною будовою, з'єднаних фібрилярними нитками поліпептиду. Крім того, третинна і четвертинна структура можуть містити вуглеводний або ліпідний залишок, що розширює спектр функцій білка. Зокрема, глікопротеїди, білки та вуглеводи є імуноглобулінами і виконують захисну функцію. Також глікопротеїди розташовуються на мембранах клітин та працюють рецепторами. Однак модифікується молекула не там, де відбувається синтез білка, а в гладкій ендоплазматичній мережі. Тут існує можливість приєднання ліпідів, металів та вуглеводів до доменів білків.
Спочатку встановіть послідовність етапів біосинтезу білка, починаючи з транскрипції. Всю послідовність процесів, що відбуваються при синтезі білкових молекул, можна поєднати у 2 етапи:
Транскрипція.
Трансляція.
Структурними одиницями спадкової інформації є гени – ділянки молекули ДНК, що кодують синтез певного білка. По хімічній організації матеріал спадковості та мінливості про- та еукаріотів принципово не відрізняється. Генетичний матеріал у яких представлений у молекулі ДНК, загальним є також принцип запису спадкової інформації та генетичний код. Одні й самі амінокислоти у про — і еукаріотів шифруються однаковими кодонами.
Геном сучасних прокаріотів характеризується відносно невеликими розмірами, ДНК кишкової палички має вигляд кільця, довжиною близько 1 мм. Вона містить 4 х 106 пар нуклеотидів, що утворюють близько 4000 генів. У 1961 р. Ф. Жакоб і Ж. Моно відкрили цистронну, або безперервну організацію генів прокаріотів, які повністю складаються з нуклеотидних послідовностей, що кодують, і вони повністю реалізуються в ході синтезу білків. Спадковий матеріал молекули ДНК прокаріотів розташовується безпосередньо в цитоплазмі клітини, де також знаходяться необхідні для експресії генів тРНК і ферменти. Експресія - це функціональна активність генів, або вираз генів. Тому синтезована з ДНК іРНК здатна одночасно виконувати функцію матриці у процесі трансляції синтезу білка.
Геном еукаріотів містить значно більше спадкового матеріалу. У людини загальна довжина ДНК у диплоїдному наборі хромосом становить близько 174 см. Вона містить 3 х 109 пар нуклеотидів і включає до 100000 генів. У 1977 р. було виявлено уривчастість у будові більшості генів еукаріотів, що отримав назву «мозаїчний» ген. Для нього характерні нуклеотидні послідовності, що кодують. екзонніі інтронніділянки. Для синтезу білка використовується лише інформація екзонів. Кількість інтронів варіює у різних генах. Встановлено, що ген овальбуміну курей включає 7 інтронів, а ген проколагену ссавців – 50. Функції ДНК, що мовчить, – інтронів остаточно не з'ясовані. Припускають, що вони забезпечують: структурну організацію хроматину; 2) деякі з них, очевидно, беруть участь у регуляції експресії генів; 3) інтрони вважатимуться запасом інформації для мінливості; 4) можуть грати захисну роль, приймаючи він дію мутагенів.
Транскрипція
Процес переписування інформації у ядрі клітини з ділянки молекули ДНК на молекулу мРНК (іРНК) називається транскрипція(Лат. Transcriptio - Переписування). Синтезується первинний продукт гена-мРНК. Це перший етап синтезу білка. На відповідній ділянці ДНК фермент РНК-полімераза дізнається знак початку транскрипції. промотр.Стартовою точкою вважається перший нуклеотид ДНК, який включається ферментом РНК-транскрипт. Як правило, діючі ділянки починаються кодоном АУГ, іноді у бактерій використовується ГУГ. Коли РНК-полімераза зв'язується з промотором, відбувається локальне розплітання подвійної спіралі ДНК і копіюється один із ланцюгів за принципом комплементарності. Синтезується мРНК, швидкість збирання її досягає 50 нуклеотидів в секунду. У міру руху РНК-полімерази, росте ланцюг мРНК, і коли фермент досягне кінця копіювальної ділянки - термінаторамРНК відходить від матриці. Подвійна спіраль ДНК за ферментом відновлюється.
Транскіпція прокаріотів здійснюється в цитоплазмі. У зв'язку з тим, що ДНК повністю складається з нуклеотидних послідовностей, що кодують, тому синтезована мРНК відразу виконує функцію матриці для трансляції (див. вище).
Транскрипція мРНК у еукаріотів відбувається в ядрі. Вона починається синтезом великих за розмірами молекул - попередників (про-мРНК), званих незрілої, або ядерної РНК. Первинний продукт гена-про-мРНК є точною копією транскрибованої ділянки ДНК, включає екзони та інтрони. Процес формування зрілих молекул РНК із попередників називається процесингом. Дозрівання мРНК відбувається шляхом сплайсинг- це вирізання ферментами рестриктазінтронів та з'єднання ділянок з транскрибованими послідовностями екзонів ферментами лігаз. (Мал.). Зріла мРНК значно коротше молекул-попередників про - мРНК, розміри інтронів у них варіює від 100 до 1000 нуклеотидів і більше. Перед інтронів припадає близько 80% всієї незрілої мРНК.
Наразі доведено можливість альтернативного сплайсингу,при якому з одного первинного транскрипта можуть видаляться в різних ділянках нуклеотидні послідовності і будуть утворюватися кілька зрілих мРНК. Даний вид сплайсингу характерний у системі генів імуноглобулінів у ссавців, що дає можливість формувати на основі одного транскрипту мРНК різні види антитіл.
Після завершення процесингу зріла мРНК проходить відбір перед виходом з ядра. Встановлено, що до цитоплазми потрапляє всього 5% зрілої мРНК, а решта розщеплюється в ядрі.
Трансляція
Трансляція (лат. Translatio - передача, перенесення) - Переведення інформації, укладеної в послідовності нуклеотидів молекули мРНК, в послідовність амінокислот поліпептидного ланцюга (Рис. 10). Це другий етап білкового синтезу. Перенесення зрілої мРНК через пори ядерної оболонки виробляють спеціальні білки, що утворюють комплекс із молекулою РНК. Крім транспорту мРНК, ці білки захищають мРНК від дії цитоплазматичних ферментів, що пошкоджують. У процесі трансляції центральна роль належить тРНК, вони забезпечують точну відповідність амінокислоти коду триплету мРНК. Процес трансляції-декодування відбувається в рибосомах і здійснюється в напрямку від 5 до 3 Комплекс мРНК і рибосом називається полісомою.
У ході трансляції можна виділити три фази: ініціацію, елонгацію та термінацію.
Ініціація.
На цьому етапі відбувається складання всього комплексу, що бере участь у синтезі молекули білка. Відбувається об'єднання двох субодиниць рибосом на певній ділянці мРНК, приєднання до неї першої аміноацил тРНК і цим задається рамка зчитування інформації. У молекулі будь-якої м-РНК є ділянка, комплементарна р-РНК малої субодиниці рибосоми і специфічно нею керований. Поряд з ним знаходиться ініціювальний стартовий кодон АУГ, який кодує амінокислоту метіонін.
Елонгація
- Вона включає всі реакції від моменту утворення першого пептидного зв'язку до приєднання останньої амінокислоти. На рибосомі є дві ділянки зв'язування двох молекул т-РНК. В одній ділянці-пептидильній(П) знаходиться перша т-РНК з амінокислотою метіонін і з нього починається синтез будь-якої молекули білка. До другої ділянки рибосоми-аміноацильна (А) надходить друга молекула т-РНК і приєднується до свого кодону. Між метіоніном та другою амінокислотою утворюється пептидна зв'язок. Друга т-РНК переміщається разом зі своїм кодоном м-РНК у пептидильний центр. Переміщення т-РНК з поліпептидним ланцюжком з аміноацильного центру в пептидильний супроводжується просуванням рибосоми м-РНК на крок, що відповідає одному кодону. Т-РНК, що доставила метіонін, повертається до цитоплазми, амноацильний центр звільняється. До нього надходить нова т-РНК із амінокислотою, зашифрованою черговим кодоном. Між третьою та другою амінокислотами утворюється пептидна зв'язок і третя т-РНК разом з кодоном м-РНК переміщається в пептидильний центр. Процес елонгації, подовження білкового ланцюга. Триває до тих пір, поки в рибосому не потрапить один із трьох кодонів, що не кодують амінокислоти. Це кодон - термінатор і для нього не існує відповідної т-РНК, тому жодна з т-РНК не може зайняти місце в аміноацильному центрі.
Термінація
- Завершення синтезу поліпептиду. Вона пов'язана з впізнаванням специфічним рибосомним білком одного з термінуючих кодонів (УАА, УАГ, УГА), коли він входитиме до аміноацильного центру. До рибосоми приєднується спеціальний фактор термінації, який сприяє роз'єднанню субодиниць рибосоми та звільненню синтезованої молекули білка. До останньої амінокислоти пептиду приєднується вода і її карбоксильний кінець відокремлюється від т-РНК.
Складання пептидного ланцюга здійснюється з великою швидкістю. У бактерій при температурі 37°С вона виявляється у додаванні до поліпептиду від 12 до 17 амінокислот на секунду. В еукаріот клітин до поліпептиду додається дві амінокислоти в одну секунду.
Синтезований поліпептидний ланцюг потім надходить у комплекс Гольджі, де завершується побудова білкової молекули (послідовно виникають друга, третя, четверта структури). Тут відбувається комплексування білкових молекул з жирами і вуглеводами.
Весь процес біосинтезу білка представлений у вигляді схеми: ДНК ® про іРНК ® мРНК ® поліпептидний ланцюг ® білок® комплексування білків та їх перетворення на функціонально активні молекули.
Етапи реалізації спадкової інформації також протікають подібним чином: спочатку транскрибується в нуклеотидну послідовність мРНК, а потім транслюється в амінокислотну послідовність поліпептиду на рибосомах за участю тРНК.
Транскрипція еукаріотів здійснюється під дією трьох ядерних РНК-полімераз. РНК-полімераза 1 знаходиться в ядерцях і відповідає за транскрипцію генів рРНК. РНК-полімераза 2 знаходиться в ядерному соку та відповідає за синтез попередника мРНК. РНК-полімераза 3 -невелика фракція в ядерному соку, яка здійснює синтез малих рРНК та тРНК. РНК-полімерази специфічно дізнаються про нуклеотидну послідовність транскрипції-промотор. Еукаріотична мРНК спочатку синтезується у вигляді попередниці (про-іРНК), на неї списується інформація з екзонів та інтронів. Синтезована мРНК має більші, ніж необхідно для трансляції розмірами і виявляється менш стабільною.
У процесі дозрівання молекули мРНК з допомогою ферментів рестриктаз вирізуються інтрони, і з допомогою ферментів – лігаз зшиваються екзони. Дозрівання мРНК називається процесингом, зшивання екзонів називається сплайсингом. Таким чином, зріла мРНК містить лише екзони і вона значно коротша за її попередницю – про-іРНК. Розміри інтронів варіюють від 100 до 10000 нуклеотидів та більше. Перед інтонів припадає близько 80% всієї незрілої мРНК. В даний час доведена можливість альтернативного сплайсингу, при якому з одного первинного транскрипта можуть видалятися в різних ділянках нуклеотидні послідовності і утворюватимуться кілька зрілих мРНК. Даний вид сплайсингу характерний у системі генів імуноглобулінів у ссавців, що дає можливість формувати на основі одного транскрипту мРНК різні види антитіл. Після завершення процесингу зріла мРНК проходить відбір перед виходом у цитоплазму з ядра. Встановлено, що потрапляє лише 5% зрілої мРНК, а решта розщеплюється в ядрі. Перетворення первинних транскриптонів еукаріотичних генів, пов'язане з їх екзон-інтронною організацією, та у зв'язку з переходом зрілої мРНК з ядра в цитоплазму, визначає особливості реалізації генетичної інформації еукаріотів. Отже, мозаїчний ген еукаріотів не є геном цистроном, тому що не вся послідовність ДНК використовується для синтезу білка.
Головним питанням генетики є питання синтезі білка. Узагальнивши дані щодо будови та синтезу ДНК та РНК, Крик у 1960р. запропонував матричну теорію синтезу білків, засновану на 3-х положеннях:
1. Комплементарність азотистих основ ДНК та РНК.
2. Лінійна послідовність розташування генів у молекулі ДНК.
3. Передача спадкової інформації може відбуватися тільки з нуклеїнової кислоти на нуклеїнову або білок.
З білка на білок передача спадкової інформації неможлива.Таким чином, матрицею для синтезу білка можуть бути тільки нуклеїнові кислоти.
Для синтезу білка потрібні:
1. ДНК (гени) у яких синтезуються молекули.
2. РНК - (і-РНК) або (м-РНК), р-РНК, т-РНК
У процесі синтезу білка розрізняють етапи: транскрипції та трансляції.
Транскрипція– перепис (переписування) інформації про нуклеїнову будову з ДНК на РНК (т-РНК, та РНК, р-РНК).
Зчитування спадкової інформації починається з певної ділянки ДНК, яка називається промотором. Промотор розташований перед геном і містить близько 80 нуклеотидів.
На зовнішньому ланцюзі молекули ДНК синтезується і-РНК (проміжна), що служить матрицею для синтезу білків і тому називається матричною. Вона є точною копією послідовності нуклеотидів на ланцюзі ДНК.
У ДНК є ділянки, які містять генетичної інформації (інтрони). Ділянки ДНК, що містять інформацію, називаються екзонами.
У ядрі є спеціальні ферменти, що вирізують інтрони, а фрагменти екзону «зрощуються» між собою у строгому порядку у загальну нитку, цей процес називається «сплайсингом». У процесі сплайсингу утворюється зріла м-РНК, що містить інформацію, необхідну для синтезу білка. Зріла і-РНК (матрична РНК) проходить через пори ядерної мембрани і надходить у канали ендоплазматичної мережі (цитоплазму) і з'єднується з рибосомами.
Трансляція- Послідовність розташування нуклеотидів в і-РНК, перекладається в строго впорядковану послідовність розташування амінокислот в молекулі білка, що синтезується.
Процес трансляції включає 2 етапи: активування амінокислот та безпосередньо синтез білкової молекули.
Одна молекула м-РНК поєднується з 5-6 рибосомами, утворюючи полісоми. Синтез білка відбувається на молекулі м-РНК, причому рибосоми просуваються вздовж неї. У цей період амінокислоти, що знаходяться в цитоплазмі, активуються спеціальними ферментами, що виділяються ферментами, що виділяються мітохондріями, причому кожна з них своїм специфічним ферментом.
Майже моментально амінокислоти зв'язуються з іншим видом РНК - низькомолекулярної розчинної, що виконує функції переносника амінокислот до молекули м-РНК і назва транспортної (т-РНК). т-РНК переносить амінокислоти до рибосом на певне місце, де до цього часу виявляється молекула м-РНК. Потім амінокислоти з'єднуються між собою пептидними зв'язками та утворюється білкова молекула. До кінця синтезу білка молекула поступово сходить з м-РНК.
На одній молекулі м-РНК утворюється 10-20 молекул білка, а деяких випадках і набагато більше.
Найбільш неясним у синтезі білків питання про те, як т-РНК знаходить відповідну ділянку м-РНК, до якої повинна бути приєднана амінокислота, що приноситься нею.
Послідовність розташування азотистих основ у ДНК, що визначає розміщення амінокислот у синтезованому білку – генетичний код.
Оскільки та сама спадкова інформація «записана» в нуклеїнових кислотах чотирма знаками (азотистими підставами), а білках – двадцятьма (амінокислотами). Проблема генетичного коду зводиться до встановлення відповідності з-поміж них. Велику роль розшифровці генетичного коду зіграли генетики, фізики, хіміки.
Для розшифрування генетичного коду насамперед необхідно було з'ясувати, яке мінімальне число нуклеотидів може визначати (кодувати) утворення однієї амінокислоти. Якби кожна з 20 амінокислот кодувалася однією основою, то ДНК повинна була б мати 20 різних основ, фактично їх тільки 4. Очевидно, поєднання двох нуклеотидів також недостатньо для кодування 20 амінокислот. Воно може кодувати лише 16 амінокислот 42 = 16.
Тоді було запропоновано, що код включає 3 нуклеотиду 4 3 = 64 комбінації і, отже, здатне кодувати більш ніж достатню кількість амінокислот для утворення будь-яких білків. Таке поєднання трьох нуклеотидів називається триплетним кодом.
Код має такі властивості:
1.Генетичний код триплетний(Кожна амінокислота кодується трьома нуклеотидами).
2.Виродженість– одна амінокислота може кодуватися кількома триплетами, виняток становить триптофан та метіонін.
3.У кодонах для однієї амінокислоти перші два нуклеотиди однакові, а третій змінюється.
4.Неперекривається- Триплети не перекривають один одного. Один триплет не може входити до складу іншого, кожен із них самостійно кодує свою амінокислоту. Тому в поліпептидному ланцюгу поруч можуть бути будь-які дві амінокислоти і можливі які завгодно їх поєднання, тобто. у послідовності основ ABCDEFGHI, перші три основи кодують 1 амінокислоту (ABC-1), (DEF-2) і т.д.
5.Універсальний,тобто. у всіх організмів для певних амінокислот кодони однакові (від ромашки до людини). Універсальність коду свідчить про єдність життя землі.
6.Коленеарність- збіг розташування кодонів в і-РНК з порядком розташування амінокислот в поліпептидному ланцюгу, що синтезується.
Кодон – триплет нуклеотидів, що кодує 1 амінокислоту.
7.Безглуздий– він не кодує жодної амінокислоти. Синтез білка тут переривається.
В останні роки з'ясувалося, що в мітохондріях порушується універсальність генетичного коду, чотири кодони в мітохондріях змінили свій зміст, наприклад, кодон УГА – відповідає триптофану замість «СТОП» – припинення синтезу білка. АУА – відповідає метіоніну – замість «ізолейцину».
Відкриття нових кодонів у мітохондрій може бути доказом того, що код еволюціонував, і що він не одразу став таким.
Нехай спадкову інформацію від гена до молекули білка можна виразити схематично.
ДНК – РНК – білок
Вивчення хімічного складу клітин показав, що різні тканини того самого організму містять різний набір білкових молекул, хоча вони мають і однакову кількість хромосом, і однакову генетичну спадкову інформацію.
Зазначимо таку обставину: незважаючи на наявність у кожній клітині всіх генів цілого організму, в окремій клітині працюють дуже небагато генів – від десятих часток до кількох відсотків від загального числа. Інші ж ділянки «мовчать», вони заблоковані спеціальними білками. Це й зрозуміло, навіщо, наприклад, генам гемоглобіну працювати у нервовій клітці? То як клітина диктує, яким генам мовчати, а яким працювати, слід припускати, що в клітці є якийсь досконалий механізм, який регулює активність генів, що визначає, які гени в даний момент повинні бути активними і яким слід перебувати в неактивному (репресивному) стані. Такий механізм за даними французьких учених Ф. Жакобо та Ж. Моно отримав назву індукції та репресії.
Індукція- Порушення білкового синтезу.
Репресія- Пригнічення білкового синтезу.
Індукція забезпечує роботу генів, які синтезують білок чи фермент, і який необхідний цьому етапі життєдіяльності клітини.
У тварин важливу роль у процесі регуляції генів грають гормони клітинні мембрани; у рослин – умови довкілля та інші високоспеціалізовані індуктори.
Приклад: при додаванні гормону щитовидної залози в середу відбувається швидке перетворення пуголовків на жаб.
Для нормальної життєдіяльності бактерії Е (Coli) потрібний молочний цукор (лактоза). Якщо середовище, в якому знаходяться бактерії, лактози не містить, ці гени перебувають у репресивному стані (тобто вони не функціонують). Внесена в середу лактоза є індуктором, що включає гени, що відповідають за синтез ферментів. Після видалення лактози із середовища синтез цих ферментів припиняється. Таким чином, роль репресора може виконувати речовину, яка синтезується в клітині, і якщо її вміст перевищує норму або витрачено.
У синтезі білка чи ферментів беруть участь різні типи генів.
Усі гени перебувають у молекулі ДНК.
За своїми функціями вони однакові:
- структурні –гени, що впливають синтез якогось ферменту чи білка, розташовані в молекулі ДНК послідовно один за одним у порядку їх впливу на хід реакції синтезу або ще можна сказати структурні гени – це гени, які несуть інформацію про послідовність амінокислот.
- акцепторні– гени не мають спадкової інформації про будову білка, вони регулюють роботу структурних генів.
Перед групою структурних генів розташований загальний їм ген – оператор,а перед ним – промотор. Загалом ця функціональна група називається опереном.
Вся група генів одного оперону входить у процес синтезу і виключається з нього одночасно. Включення та вимкнення структурних генів становить сутність всього процесу регуляції.
Функцію включення та вимкнення виконує особлива ділянка молекули ДНК – ген оператор.Ген оператор є початковою точкою синтезу білка або, як кажуть, «зчитування» генетичної інформації. далі в тій же молекулі на певній відстані розташований ген - регулятор, під контролем якого виробляється званий білок репресором.
Зі всього сказаного видно, що синтез білка відбувається дуже складно. Генетична система клітини, використовуючи механізми репресії та індукції, може приймати сигнали про необхідність початку та закінчення синтезу того чи іншого ферменту та здійснювати цей процес із заданою швидкістю.
Проблема регуляції дії генів у вищих організмів має велике практичне значення у тваринництві та медицині. Встановлення факторів, що регулюють синтез білка, розкрило б широкі можливості керування онтогенезом, створення високопродуктивних тварин, а також стійких тварин до спадкових захворювань.
Контрольні питання:
1. Назвіть властивості генів.
2.Що таке ген?
3.Назвіть яке біологічне значення ДНК, РНК.
4.Назвіть етапи синтезу білка
5. Перерахуйте властивості генетичного коду.